Гис. Теор осн ГИС лек 8 рус. Лекция8 Акустический каротаж. Область применения метода и решаемые задачи. Акустический каротаж

• Название: Лекция8 Акустический каротаж. Область применения метода и решаемые задачи. Акустический каротаж
• Дата: 30.01.2021
• Размер: 0.63 Mb.
• Имя файла: Теор осн ГИС лек 8 рус.docx
• Тип: Лекция; #172656

ЛЕКЦИЯ-8

Акустический каротаж. Область применения метода и решаемые задачи.

Акустический каротаж - совокупность методов исследования скважин, основанных на изучении полей упругих колебаний в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот, которые создаются излучателем, размещенным в скважине. В основе акустического каротажа лежит различие упругих свойств пород, слагающих разрезы скважин. Горные породы в естественном залегании при тех напряжениях, которые возникают при исследовании разрезов скважин ультразвуковым методом, являются практически упругими телами. Если на элементарный объем породы в течение некоторого времени действует сила, то происходит деформация частиц породы и их перемещение. Это приводит к возникновению напряжений в слое, окружающем точку возбуждения. В результате во всех напрявлениях от точки приложения возбуждающей силы изменяется состояние среды. Процесс последовательного распространения деформаций называется упругой волной. Упругие свойства горных пород, а значит и скорости распространения в них упругих волн в них обусловлены их минеральным составом, пористостью и формой порового пространства и, таким образом, тесно связаны с литологическими и петрофизическими свойствами. Основан на изучении характеристик упругих волн ультразвукового и звукового диапазона, прошедших через горные породы. Зонды АК приведены на рисунках 1,2.



Рисунок 1. Зонды акустического каротажа



а - трехэлементный; 6 - компенсированный с дополнительным третьим приемником ПЗ; в - с антенной монопольных приемников; г - с антеннами монопольных и дипольных приемников; д - сканер с вращающимся совмещенным преобразователем И-П; е - сканер с 8 электронноопрашиваемыми преобразователями И-П; Короткий зонд И-П, расположенный за пределами измерительного зонда, предназначен для измерения скорости упругой волны в жидкости, заполняющей скважину; 1 - электронная схема прибора; 2 - акустический изолятор; И, ИМ - монопольный излучатель; П., ПМ - монопольный приемник; ИД - дипольный излучатель; ПД - дипольный приемник; И-П - преобразователь, совмещающий функции излучателя и приемника.

Рисунок 2. Схемы измерительных зондов АК

Целесообразна классификация приборов АК по основному объекту исследований, предложенная для методов и приборов ГИС в целом. В открытом стволе таким единственным объектом изучения являются горные породы. Характеристики промывочной жидкости, в основном, скорость v_ж упругой волны в ней, измеряются с целью повышения достоверности решения основной задачи. В обсаженной скважине объектов изучения четыре: внутрискважинное пространство, заполненное одно- или многофазным неподвижным и движущимся флюидом; обсадная труба; затрубное пространство, заполненное цементом либо жидкостью; породы, слагающие разрез скважины и изучаемые через обсадную колонну.

Исторически сложилось разделение приборов АК, предназначенных для изучения геологических разрезов и технического состояния обсадных колонн, на группы, основной определяющей характеристикой которых служит их назначение (для исследований открытых или обсаженных скважин) либо сложность конструкции измерительных зондов. Первые две группы составляют приборы массового применения, которые используются в открытых и обсаженных скважинах. Наиболее простые из них (рис.2, а, б) содержат уходящие в прошлое трёхэлементные (излучатель и 2 приёмника или 2 излучателя и 1 приёмник) либо компенсированные четырёхэлементные зонды (два излучателя и два приёмника). Часто компенсированный зонд содержит также третий приёмник П3 (рис.2, б), обеспечивающий специфичные технологические решения: фиксацию муфт обсадной колонны при любом качестве сцепления цемента с колонной, запись фазокорреляционных диаграмм (ФКД) на стандартной по длине базе, равной 5 футам (1,5 м), и т.п. Приборы массового применения эксплуатируются самостоятельно или в составе комбинированных сборок. Они ориентированы на измерение параметров (∆t, А, a) преимущественно продольной волны и в меньшей степени, при благоприятных геолого-технических условиях, - поперечной головной волны. К этим группам относятся также высокочастотные (300-1000 кГц) приборы-сканеры с одним или несколькими электроакустическими преобразователями, совмещающими функции излучателя и приёмника упругих колебаний (рис.2, д, е). Их основное назначение заключается в детальном изучении анизотропных слоистых и трещиновато-кавернозных пород в открытых скважинах и выделении вертикальных каналов в цементном камне, заполняющем затрубное пространство.

Отдельную группу составляют приборы, предназначенные для решения практически всех задач, доступных АК, в любых геолого-технических условиях. Они оснащены многоэлементными измерительными зондами с монопольными и дипольными преобразователями (рис.2, б, в), охватывают широкий для АК диапазон частот (1-30 кГц) и обеспечивают измерение параметров информативных Р, S и St волн без влияния интерференции этих волн между собой и с другими волнами-помехами. Приборы этой группы предназначены для решения ограниченного круга задач в основной массе поисковых, разведочных и эксплуатационных скважин. Ими владеют все отечественные и зарубежные фирмы и предприятия, применяя их самостоятельно или в составе комбинированных сборок из приборов других видов ГИС. Приборы обеспечивают измерение параметров (∆t_p, a_p, f_p и др.) продольной головной волны. Измерение параметров поперечной волны является для них желательным, но вовсе не обязательным. Как правило, его ведут при стечении благоприятных условий: номинальный диаметр скважины, относительно высокоскоростной разрез (v_р>v_s>v_ж), толщины исследуемых пластов превышают длины измерительных зондов, отсутствуют породы с аномальным затуханием упругих волн. Конструкции приборов массового применения отражают максимальный уровень развития технических средств АК первой половины 80-х годов

Круг геологических задач, решаемых по данным приборов АК массового применения, определился с начала применения метода. К ним относятся расчленение разрезов по значениям скорости v_p и затухания a_р продольной волны, расчет пластовых скоростей для целей сейсморазведки, определение литологии и коэффициентов К_п пористости пород с межзерновыми порами, выделение гранулярных коллекторов по значениям К_п. Эти приборы применяют также для исследований обсаженных скважин с целью оценки качества цементирования обсадных колонн.

Длительное совершенствование элементов скважинных приборов АК массового применения привело к выравниванию характеристик измерительных зондов, разработанных разными зарубежными и отечественными фирмами и предприятиями. Повсеместно применяются компенсированные измерительные зонды, в которых расстояние от излучателя до ближнего приёмника составляет 0,915-1,0 м, а база зонда (расстояние между приёмниками) - 0,5-0,61 м. Собственная частота колебаний излучателей составляет 20-25 кГц. Излучатели упругих колебаний выполнены в виде пьезокерамических цилиндров у большинства зарубежных фирм; отечественные предприятия и фирма Halliburton используют цилиндрические магнитострикционные излучатели. Приёмники упругих колебаний во всех приборах выполнены из пьезокерамических сфер диаметром 30-50 мм.

Эксплуатационные характеристики у всех скважинных приборов также сходные. Диаметр приборов - 70-90 мм; диаметр обслуживаемых скважин - 108-457 мм. Почти все фирмы владеют также приборами меньшего диаметра (42-60 мм) для обслуживания скважин диаметром 51-120 мм, в том числе наклонно направленных скважин, забуриваемых из старых стволов. Термобарические характеристики скважинных приборов стандартные: у зарубежных фирм - 177 °С и 138 МПа; у отечественных - 120°С и 80 МПа.

Приборы массового применения используются самостоятельно или в составе комбинированных сборок. Чаще всего в состав сборок входят приборы НК, ГГК-П либо ИК. Для привязки результатов исследований к разрезу для всех приборов обязателен зонд ГК. Оцифровка первичных данных осуществляется в самих приборах зарубежными фирмами, использующими семижильный каротажный кабель и, соответственно, две-три линии передачи данных, и в каротажном регистраторе на дневной поверхности для отечественных приборов.

Среди скважинных приборов массового применения двумя отличительными чертами выделяется прибор АВАК-7. Он содержит 2 монопольных излучателя, возбуждаемых на частотах 20 (или 12), 8 и 2,5 кГц, дипольный излучатель с собственной частотой колебаний 3-4 кГц и соответствующие им 2 пары монопольных и дипольных приёмников. Это позволяет организовать в процессе одной спускоподъёмной операции работу трёх разночастотных измерительных зондов, оснащённых монопольными преобразователями и обладающими различной чувствительностью к Р, S и St волнам, и одного дипольного зонда. Прибор обеспечивает раздельную регистрацию параметров продольной (на частотах 20, 12 и 8 кГц), поперечной (8 кГц и дипольным зондом) и Стоунли (2,5 кГц) волн в открытых и обсаженных скважинах. Поперечная и Стоунли волны регистрируются (первая - дипольным зондом, вторая - на частоте 2,5 кГц) вне интерференции с более высокочастотной Р волной в первом случае, Р и S волнами - во втором, что повышает достоверность измерений ∆t, А, a. Зарегистрированы минимальные значения v_s, равные 1050 м/с (∆t_s=950 мкс/м), значения v_st в диапазоне 900-1500 м/с (∆t_st=660-900 мкс/м). В обсаженных скважинах с помощью дипольного зонда достигается измерение параметров S волны в случае удовлетворительного и даже плохого цементажа, когда затрубное пространство заполнено цементом, но отсутствует его сцепление с колонной и породами.

Конструкции и эксплуатационные характеристики сканеров АК, предназначенных для детальных исследований открытых скважин, также близки друг к другу. Совмещенный "излучатель-приёмник" упругих колебаний совершает 6-12 оборотов в минуту вокруг оси скважинного прибора. Излучающая поверхность электроакустического преобразователя выполнена в форме вогнутого диска, радиус кривизны поверхности которого определяется размерами и собственной частотой колебаний преобразователя и близок к 100 мм. Рабочая частота колебаний преобразователя составляет 250-500 кГц в зарубежных приборах и 900-1000 кГц в отечественных. За исключением сканера АВК-42, ось преобразователя перпендикулярна оси скважинного прибора. Именно таким образом обеспечиваются максимальные интенсивность и дифференциация отражённых сигналов. В сканере АВК-42 преобразователь расположен вдоль оси прибора. Излучение (и приём) упругих импульсов в сторону стенки скважины достигается отражением сигналов от отражателя, расположенного на некотором расстоянии от преобразователя.

Дискретность сканирования в азимутальной плоскости регулируется в диапазоне 100-500 точек на один оборот, иногда она выдерживается постоянной - 128 точек на оборот. Дискретность исследований по вертикали составляет 8-10 мм при скорости движения прибора 180-500 м/ч. Ориентация развертки поверхности стенки скважины по сторонам света достигается применением магниточувствительного феррозондового датчика. Такого датчика лишён сканер АВК-42.

Разрешающая способность АК-сканеров достаточно высока. С их помощью на стенке скважины различаются неоднородности, линейные размеры которых превышают 6-7 мм. Это способствует выделению тонких, но протяжённых элементов разреза - устьев трещин, выходящих на поверхность стенки скважины, контактов пород с разной акустической жёсткостью (sv, где s - общая плотность пород, v -скорость распространения Р волны), прослоев и различных включений в тонком переслаивании песчано-глинистых пород. Одновременно определяется профиль скважины (колонны) по времени прихода к преобразователю сигнала, отраженного от стенки. Погрешность определения радиуса скважины в каждой точке сканирования не превышает ±0,7-1,0 мм. Приборы, посредством которых выполняются такие измерения, содержат дополнительный преобразователь "излучатель-приёмник", предназначенный для измерения на постоянной базе скорости v_ж упругой волны в скважинной жидкости.

С определённой степенью достоверности с помощью АК-сканеров решают задачи литологического расчленения тонко чередующихся терригенных толщ, выделения тонких (не регистрируемых приборами БМК и МК) прослоев и включений глинистых пород в песчаниках, идентификации трещиновато-кавернозных интервалов в карбонатных породах, определения границ наклона контактов пород, обладающих контрастными значениями акустических жесткостей. Отечественные сканеры АК, разработанные для исследований открытых скважин, применяют также в обсаженных скважинах. Изображение поверхности стенки скважины, получаемое в этом случае, позволяет установить глубины расположения муфтовых соединений (точнее, зазора между соседними обсадными трубами), перфорационных отверстий, трещин и порывов обсадной колонны, линейные размеры которых превышают пределы чувствительности метода.

Возбуждение и регистрация упругих волн осуществляются зондом АК. Трехэлементный зонд АК состоит из одного излучателя и двух приемников (аппаратура типа ЛАК) или двух излучателей и приемника (аппаратура типа СПАК). Возбужденные излучателем упругие колебания после прохождения их через горные породы фиксируются приемниками. При акустических исследованиях горных пород измеряют кинематические и динамические характеристики продольных и поперечных волн.

Модификации АК:

АК по скорости. Кинематические характеристики определяют скорость распространения упругих волн в породах: время распространения упругих колебаний между приемником и ближним и дальним излучателем – Т₁ и Т₂, измеряемое в мксек; интервальное время распространения упругой волны –, измеряемое в мксек/м. Для измерения скорости головной продольной волны регистрируют времена ее вступления t₁и t₂па первом и втором приемниках. Определяют интервальное время (мкс) Δt = t₁— t₂и интервальную скорость v_p— l/Δt, где l — расстояние между приемниками.

Данные используются для определения пористости, так как k_n= (Δt — Δt_ск) /(Δt_ж — Δt_ск), где Δt_ск и Δt_ж — интервальное время соответственно в скелете породы и в жидкости, заполняющей поры.

АК по затуханию. Динамические характеристики связаны с поглощающими свойствами исследуемой среды: относительными амплитудами продольных и поперечных колебаний от ближнего и дальнего излучателей – А₁ и А₂, измеряемым в мВ; коэффициентом поглощения для упругих волн, измеряемым в дб/м.Регистрируют амплитуды колебаний А₁и А₂и определяют коэффициент поглощения энергии (параметр затухания) α (м^-1) на участке породы между элементами зонда: α = (1/l) ln (А₁/ А₂).

Метод АК используется для выделения в разрезе трещинно-кавернозных зон и для определения характера насыщения пласта. В современной аппаратуре одновременно регистрируются 6 параметров: t₁, t₂, Δt, А₁, А₂, α.

Определение коэффициентов пористости K_п было практически первой задачей скважинной геофизики, которую начали решать с использованием материалов АК. В основу определения было положено утверждение, что осадочные породы представляют собой гетерогенные среды, состоящие из зерен минералов и флюидов в порах. Эффективные свойства таких сред при малых размерах зерен и пор и их множестве определяются концентрациями отдельных фаз, их формой и степенью связи между фазами. При небольших различиях в упругих свойствах и плотности фаз форма границ не имеет практического значения, и величины Dt_p, Dt_s определяются, как средневзвешенные, в соответствии с обьемными концентрациями фаз. Такой подход может быть применен и при более значительных различиях свойств фаз (минеральный скелет породы, вода и нефть в порах), хотя для таких случаев он менее обоснован. Редко и неравномерно расположенные, по сравнению с длиной упругой волны, трещины и каверны не отвечают условиям гетерогенной среды, поэтому для определения их емкости применяют другие взаимосвязи, чем пород с межзерновой пористостью.

Первым и наиболее простым по форме уравнением, удовлетворяющим высказанному выше утверждению, стало уравнение cреднего времени.

Увеличение пористости приводит к снижению скорости продольных v_p и поперечных v_s упругих волн. Наиболее надежные данные о связи величин v с K_п получены из экспериментов с образцами горных пород и частично путем сопоставления значений v_p и v_s по скважинным измерениям со значениями K_п по керну или по данным других геофизических методов. В различных условиях эти корреляционные связи могут быть аппроксимированы относительно простыми эмпирическими формулами. Наиболее широко распространена аппроксимация уравнением среднего времени (М. Вилли, формула среднего времени):

1/v = K_п/v_ж + (1 - K_п)/v_тв,

Dt= Dt_жK_п + Dt_тв (1 - K_п),

где v_ж, v_тв– скорости волн соответственно в заполнителе пор (жидкости) и

твердой фазе.

Dt = 1/v – интервальное время для породы.

Dt_ж, Dt_тв – то же для заполнителя пор и твердой фазы соответственно.

Вляние глинистости или нефтегазонасыщенности коллекторов учитывают расширением уравнения среднего времени например, для глинистых пород:

Dt_p = Dt_жK_п + Dt_тв(1 - K_п – K_гл) + Dt_гл K_гл,

где Dt_гл – интервальное время распространения волны в глинах

Теоретические диаграммы АК приведнны на рисунке 3. Факторы, влияющие на скорость волн, подразделяются на внутренние (коэффициент пористости, минеральный состав и структура скелета, состав зополнителы пор и т.д.) и внешние (термобарические условия, изменение свойств пласта в результате его вскрытия скважиной).

Минералогический состав существенно влияет на скорость волн. Для пород с низкой пористостью это один из основных факторов. При акустическом каротаже возбуждение упругих колебаний частотой 10 - 20 кГц и 20 кГц - 2 Мгц производится с помощью магнитострикционных (или иных) излучателей. Упругие колебания измеряют с помощью двух пьезоэлектрических сейсмоприемников, расположенных по одной линии на расстояниях 0,5 - 2 м друг от друга и от излучателя (рисунок 4). Между излучателем и ближайшим приемником устанавливается звукоизолятор, например, из резины, препятствующий передаче упругих колебаний по зонду. Все перечисленные приборы вместе с электронным усилителем принятых колебаний размещаются в скважинном снаряде акустического каротажа.



Рисунок 3.Теоретические диаграммы интервального времени

Остальная аппаратура располагается в каротажной станции. Акустический каротаж выполняется как в необсаженных скважинах, заполненных жидкостью, так и в обсаженных скважинах. Радиус исследования пород от оси скважины не превышает 0,5 - 1 м. Скорость распространения упругих волн зависит от упругих модулей пород, их литологического состава, плотности и пористости, а величина затухания - от характера заполнителя пор, текстуры и структуры породы (рис. 5). На акустических диаграммах высокими значениями скоростей распространения упругих волн выделяются плотные породы - магматические, метаморфические, скальные, осадочные. В рыхлых песках и песчаниках скорость тем ниже, чем больше пористость. Наибольшее затухание (наименьшая амплитуда сигнала) наблюдается в породах, заполненных газом, меньше затухание в породах нефтенасыщенных, еще меньше - у водонасыщенных.

Акустический метод применяется для расчленения разрезов скважин по плотности, пористости, коллекторским свойствам, а также для выявления границ газ - нефть, нефть - вода и определения состава насыщающего породы флюида. Кроме того, по данным этого метода можно судить о техническом состоянии скважин и, в частности, о качестве цементации обсадных колонн.

а - скважинный снаряд; б - кабель; в - наземная аппаратура; 1 - излучатель; 2 - генератор импульса; 3 - акустический изолятор; 4 - приемники; 5 - электронный усилитель; 6 - блок-баланс;7 - усилитель; 8 - регистратор; 9 - блок питания Рисунок 4. Схема аппаратуры акустического каротажа

Итак, данные АК применяются для решения следующих задач:

В открытом стволе:

-литологическое расчленение разреза;

-пределение коэффициента пористости коллекторов.

В обсаженной скважине:

-контроля качества цементажа эксплуатационных колонн.

-контроля технического состояния труб эксплуатационной колонны.

Акустический метод контроля качества цементажа использующий свойства преломленной волны, позволяет:

-определять высоту подьема сформировавшегося цементного кольца (при определенных условиях);

-определять интервалы бездефектного цементного кольца;

-выделять интервалы с дефектами цементного кольца и оценивать размеры дефектов;

-определять влияние механических и других воздействий на состояние цементного кольца;